染色体如何进化以创造新的生命形式

约翰·休伊特（Phys.org）

贷方：PNG / CC0公共领域

3-D打印是一种通用过程，从某种意义上说，可以在CAD程序中绘制的几乎所有零件都可以被打印，至少在一定分辨率下即可。在铣床或车床上加工零件时，虽然具有更高的精度和材料选择的优势，但它的通用性略差一些，因为从理论上讲，许多可能的设计都无法进行加工。可以轻松地打印空心球，但是永远不能将球作为一个零件铣成空心球，除非您碰巧拥有一个可以装进球内的铣床。但是生物部分和整个动物呢？从设计的角度来看，增长有多普遍？

我们在这里真正要问的是：遗传密码在确定可行和富饶的身体计划的能力方面有多普遍？昨天，我们讨论了一个名为“盒子里的基因组”的新项目，该项目旨在创建人工染色体从头开始，从原始的遗传序列开始，然后添加适当的组织蛋白以创建完整染色体的合理传真。这项工作的主要挑战之一是在正确的位置获得较大的结构，即所谓的拓扑关联域（TAD）。提出的问题是，是否可以在DNA中完全编码任何任意生物，例如龙。如果可以的话，那么染色体会是什么样子，此外，是否可以有不同的方法来编码同一生物？

不幸的是，我们在化石记录中与龙（可能是已灭绝的翼龙或Brontornis的“恐怖鸟”）最接近的近似，并没有易于测序的基因组。但是，我们确实有足够的序列数据来寻找可能是其次的最佳选择，即它们的羽毛后代。除了原始序列之外，就基因组如何禁止真正的动物而言，我们真正想知道的是基因组如何变化以演化出新的形式。现已广为人知的是，简单的碱基对突变或表观遗传修饰可以微调次要物种的偶然性，例如着色，寄生虫抗性以及对温度或海拔高度的环境适应性。

但是，真正的物种形成事件（那些冒犯他人的行为使代码从传统的人体计划中彻底脱离出来的重大侮辱）通常需要对核型进行更大的调整。换句话说，任何当前稳定的染色体表都必须通过重大的断裂，融合，倒位或重复来充分扰动，以使物种分叉。如果足够重要，那么这些过程可能会导致通用配伍性的丧失，其中所有新生成的后代不一定都能与所有其他新后代成功配对。在这种情况下，与亲本基因组的局部回交事件可能产生具有新物种身份的最小后代存活子。

为了研究禽类基因组的进化，这只鸡被证明是无价之宝。由于它们的卵大且容易获得，因此小鸡也为发育研究提供了很好的模型。鸡基因组知识的一项非常实用的应用是通过工业化创造雏鸡，这些雏鸡很容易通过其羽毛的颜色进行性别鉴定。顺带一提，中国鸟类基因组的学生们决定深入研究鸭的基因组，因为用他们自己的话说，北京烤鸭令人赞叹。杭州浙江大学的研究人员在最近发表在《Gigascience》杂志上的论文中报道了整个鸭基因组及其所有相关TAD区的新图谱。

就鸟类而言，鸭子基因组一方面介于雏鸡基因组之间，另一方面介于e基因组之间。就核型如何进化而言，真正重要的是性。换句话说，潜伏在大物种形成事件的起源后面的坚韧不拔的细节往往围绕着性染色体的细节。这些细节包括哪些常染色体片段融合在新的性染色体中，它们相对于互补序列的相对大小，其数目，假基因含量，重复区域和重组程度。就鸭子而言，性染色体不像鸡那样高度异质，也不像the一样完全同质。

北京鸭的单倍体基因组约为1.4 Gb，其核型为9对大染色体（chr1-chr8，chrZ / chrW）和31对微染色体（chr9-chr39）。这些规格与大多数哺乳动物的规格有很大不同，但对于鸟类而言却是相当典型的。总基因组较小，Z / W性别决定系统和大量微型染色体也是有时在其他物种（如爬行动物，也许还有一些恐龙）中发现的特征。应该注意的是，鸟和蛇的Z / W是无关的，它们是从不同的常染色体进化而来的。Z / W系统不同于X / Y和X0系统，在X / Y和X0系统中，精子具有性别决定权。卵子控制着Z / W系统中的性别，其中雄性是同配性（Z / Z），雌性是异配性（Z / W）。Z染色体比W染色体更大，并且具有更多的基因，很像XY系统中的X染色体。奇怪的是，雄鸟是五颜六色的展示型，而雌鸟则通常更暗，更大。

由于在禽类Z / W和哺乳动物X / Y染色体之间没有共享的基因，因此这两个系统可能共享一个共同的祖先，从而可以独立进化。Z染色体具有比人类X或Y染色体更能代表人类9号染色体的特征。对染色体如何进化的更多了解可能需要更仔细地观察系统的某些更极端点，例如鸭嘴鸭嘴兽。这种最极端的海狸鸟哺乳动物具有五对独立的XY染色体对，与海狸或鸭没有直接关系。在雄性生殖细胞减数分裂中，鸭嘴兽的性染色体形成一条由同源区域连接在一起的链，这些区域最终分离为XXXXX精子和YYYYY精子。

该链中最鸟状的一对具有Z染色体特征，出现在链的相反两端。Z同源性较低的其他片段散布在X3和X5染色体上。从对鸭嘴兽和棘足动物基因组的最新研究中，研究人员能够推断出，我们自己的X染色体源自原始有锡安纳人X染色体与有袋动物分叉后的常染色体区域的融合。和鸟类一样，我们的性染色体是通过逐步抑制常染色体中的重组而形成的。该过程导致性别确定区域之间成对序列发散的模式，被称为“进化层”。

基因组领域的另一个有用的关键点是澳大利亚肺鱼。最近的研究表明，它的基因组长超过430亿bps（比人类大14倍），使其成为已知的最大基因组。许多肺鱼染色体每个都比我们自己的整个基因组大。有较大的基因间区域和具有较高LINE元素重复含量（约90％）的内含子，与四足动物的内含子比射线鳍鱼的内含子更为相似。似乎肺鱼基因组仍在增长，并在其活跃的转座因子位点上不断扩展。

由于肺鱼的身体计划代表着脊椎动物进化的主要转变，尽管细胞周期时间和核苷酸需求过高，但它们的染色体却围绕着许多额外的原材料，这并不奇怪。肺鱼的陆地化涉及在预先适应的叶状鳍中出现类似hoxc133和sall1的四肢样模式的基因新表达。编码表面活性剂的基因区域的重复使专心的呼吸得以实现，而嗅觉受体基因的增殖则允许检测到气味剂。

回到最初的问题，即生长过程以及遗传密码在构建动物中可能有多普遍，一个有用的概念是可逆性。虽然可以打印任何3-D绘制的对象，但无法轻松预测用于打印该对象的特定G代码（G代码是用于移动工具的一系列“ Go”代码的转喻名称）。原因是可以使用许多可能的代码或刀具路径来制作相同的对象。因此，它不是一对一的，从这个意义上说是不可逆的。但是，从每个对象确实至少有一个对象的意义上讲，这是可逆的与之关联的G代码。但是，并非所有可能的G代码都有与之关联的真实对象。例如，一个人不能在同一地点两次放置塑料，也不能在稀薄的空气中在地球上打印。

可能有人暗示，几乎所有可以在计算机上绘制的理论有机体或人体计划都永远不会真正地以DNA编码并生长。当然，某些没有出现在化石记录中的动物将来可能会在一定的时间和资源下进化，但是在系统停止运转之前它们实际上会变成什么样呢？在大小上限时，事情变得很无聊-要么是海中的巨型鲸类气瓶，要么是笨拙且对称的四脚架巨人。尽管时间和资源是真正的约束，但是最大的约束可能是代码本身。

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